煙酰胺腺嘌呤二核苷酸（Nicotinamide adenine dinucleotide， NAD) 是存在于所有細(xì)胞中的一種必需的輔酶。作為一種轉(zhuǎn)遞電子的輔酶，它參與數(shù)百個(gè)代謝反應(yīng)，在調(diào)控細(xì)胞能量代謝、基因組穩(wěn)定性、免疫反應(yīng)、生物周期和衰老中發(fā)揮著不可替代的作用【1-3】。然而，細(xì)胞內(nèi)NAD自身代謝受環(huán)境因子調(diào)控的機(jī)制仍不清楚。
哺乳動(dòng)物細(xì)胞有三條合成NAD的通路，分別是以色氨酸為起始底物的從頭通路（de novo pathway），以煙酸（nicotinic acid，NA）為起始底物的脫酰胺通路（又叫Preiss-Handler pathway）和以煙酰胺（nicotinamide，NAM）為起始底物的酰胺通路 （圖1）【4】。在大多數(shù)的哺乳動(dòng)物細(xì)胞和組織中，NAM來源的短途徑的酰胺通路被認(rèn)為是最主要的NAD合成通路【5】。NA來源的脫酰胺通路是一條在進(jìn)化上更為古老的通路，并且該通路中的代謝酶同酰胺通路的代謝酶一樣廣泛地高表達(dá)于許多哺乳動(dòng)物組織中。但脫酰胺通路一直被認(rèn)為是一個(gè)在哺乳動(dòng)物中不重要的旁路，到目前為止我們對該通路的研究還很少，對它在哺乳動(dòng)物中的重要性認(rèn)識(shí)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
圖1 哺乳細(xì)胞中的NAD代謝通路
研究細(xì)胞內(nèi)NAD的穩(wěn)態(tài)具有很重要的應(yīng)用意義。比如癌癥細(xì)胞需要生成大量的ATP來維持它們的快速增殖，而NAD是合成ATP所必需的，因而很多癌細(xì)胞都高表達(dá)酰胺通路限速酶NAMPT。因此NAMPT是抗腫瘤藥物的一個(gè)重要靶點(diǎn)【6,7】。而另一方面，NAD的濃度隨著年齡的增長是逐漸降低的【8】。近年來的一系列研究表明酰胺通路中的一些NAD合成前體，比如煙酰胺單核苷酸（Nicotinamide mononucleotide， NMN) 或者煙酰胺核糖（Nicotinamide riboside， NR），能在動(dòng)物模型中有效地提升NAD的濃度，進(jìn)而預(yù)防或延緩一系列老年病【9】。因而NMN和NR最近被營養(yǎng)藥學(xué)界推崇成抗衰老“神藥”。在這些實(shí)驗(yàn)中，NMN和NR被普遍認(rèn)為是通過酰胺通路并繞過NAMPT的限速步驟來提升NAD濃度的【9】。
2020年3月3日，美國國立衛(wèi)生研究院 (NIH) 環(huán)境健康科學(xué)研究所李小玲（Xiaoling Li）研究組，聯(lián)合該所質(zhì)譜平臺(tái)主任Jason Williams以及杜克大學(xué)Jason Locasale教授等在Cell Metabolism雜志上發(fā)表題為Bacteria boost mammalian host NAD metabolism by engaging the deamidated biosynthesis pathway 的研究論文。該研究利用代謝組學(xué)和穩(wěn)定同位素追蹤技術(shù)以及無菌小鼠模型，首次揭示了細(xì)菌，特別是腸道微生物，能通過非常規(guī)的另類脫酰胺通路來促進(jìn)哺乳動(dòng)物細(xì)胞和組織中NAD的合成，并進(jìn)一步闡明這個(gè)由腸道微生物介導(dǎo)的脫酰胺NAD合成通路是當(dāng)前通過口服酰胺通路的NAD合成前體（比如NR）來提升哺乳動(dòng)物組織細(xì)胞中的NAD濃度的主要機(jī)制。
該研究始于一次偶然的機(jī)緣。研究人員在一次chemical screen實(shí)驗(yàn)中意外發(fā)現(xiàn)支原體污染的細(xì)胞在體內(nèi)和體外均對NAMPT抑制劑導(dǎo)致的細(xì)胞死亡有抗性。進(jìn)一步的研究表明大腸桿菌也和支原體一樣能抵抗NAMPT抑制劑對人類結(jié)腸癌細(xì)胞的殺傷。利用代謝組學(xué)和穩(wěn)定同位素追蹤技術(shù)，研究人員發(fā)現(xiàn)微生物能激活人類結(jié)腸癌細(xì)胞內(nèi)的脫酰胺通路，讓細(xì)胞能在酰胺通路被NAMPT抑制劑阻斷時(shí)通過該旁路繼續(xù)從NAM合成NAD，因而對NAMPT抑制劑產(chǎn)生抗性。在大腸桿菌中，這個(gè)抗性是由一個(gè)叫PncA的煙酰胺水解酶（nicotinamidase）提供的。PncA能把NAM轉(zhuǎn)化成NA，從而把哺乳動(dòng)物中的酰胺通路和脫酰胺通路連接起來在?；谧罱P(guān)于微生物在人類腫瘤中廣泛存在的報(bào)道【10,11】，該研究暗示細(xì)菌的pncA基因或許是NAMPT抑制劑在臨床試驗(yàn)中失敗的原因之一。
該研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)這種細(xì)菌和哺乳動(dòng)物細(xì)胞之間的跨界代謝相互作用也存在于體內(nèi)，腸道菌群及其pncA基因?qū)诜﨨AM促升組織內(nèi)NAD濃度，特別是肝內(nèi)NAD的合成，至關(guān)重要。利用體內(nèi)穩(wěn)定同位素追蹤技術(shù)，他們表明口服NAM能顯著地提升正常小鼠多個(gè)組織中NAD脫酰胺通路的合成前體NA、NAR和NAAD的濃度，而這些前體的濃度在腸道菌群被抗生素去除的小鼠中被明顯地降低了，在移植了pncA KO大腸桿菌的無菌小鼠中更是完全不能被檢測到。因而去除腸道菌群或敲除腸道菌群的pncA基因明顯地降低了口服NAM提升腸道和肝臟NAD水平的效力。進(jìn)一步三重穩(wěn)定同位素追蹤定量實(shí)驗(yàn)表明這個(gè)由腸道菌群介導(dǎo)的NAD脫酰胺合成途徑是口服NAM促進(jìn)大腸，肝臟和腎臟NAD合成的主要機(jī)制。他們的結(jié)果顯示口服的NAM在腸腔，特別是大腸腔中被其中的共生微生物通過PncA降解成NA。NAM和NA進(jìn)而被腸上皮細(xì)胞吸收，分別經(jīng)過酰胺通路和脫酰胺通路合成NAD。與酰胺通路被NAD反饋性抑制不同，脫酰胺通路合成效率更高，導(dǎo)致大腸上皮細(xì)胞中大部分NAD都經(jīng)該通路合成。此外，NA、NAM以及在NAD合成過程中產(chǎn)生的中間物NAMN、NAR和NMN都可以進(jìn)入門靜脈，進(jìn)一步影響肝臟和全身的NAD合成（圖2）。
圖2 口服NAM主要通過脫酰胺通路提升組織NAD合成
更為重要的是，該研究還表明口服的抗衰老保健品NR也和NAM一樣是主要通過腸道微生物介導(dǎo)的脫酰胺通路來促進(jìn)組織內(nèi)NAD合成的。
此項(xiàng)由NIH領(lǐng)導(dǎo)的研究首次揭示了一個(gè)微生物和哺乳動(dòng)物細(xì)胞在代謝上的相互作用，并揭示了該相互作用在腫瘤抗藥性和保健品功效上的重要功能。該研究為今后進(jìn)一步探索如何通過靶向腫瘤內(nèi)細(xì)菌來提升抗腫瘤藥效和如何調(diào)控腸道微生物來調(diào)節(jié)哺乳動(dòng)物NAD代謝及其相關(guān)生理和病理過程奠定了基礎(chǔ)。
該項(xiàng)研究由美國國立衛(wèi)生研究院環(huán)境健康科學(xué)研究所，杜克大學(xué)，南阿拉巴馬大學(xué)和北卡大學(xué)教堂山分校等機(jī)構(gòu)合作完成。南京醫(yī)科大學(xué)公共衛(wèi)生學(xué)院通過和美國國立衛(wèi)生研究院環(huán)境健康科學(xué)研究所合作伙伴關(guān)系參與了該項(xiàng)研究。美國國立衛(wèi)生研究院環(huán)境健康科學(xué)研究所的代謝基因環(huán)境研究組的李小玲資深研究員為高級作者和主通訊作者，該組的Staff Scientist Igor Shats是第一作者和共同通訊作者。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.cmet.2020.02.001
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